DE3714309A1 - Zuendanlage fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündanlage für eine Brenn­ kraftmaschine, mit einer die Zündenergie speichernden, eine Primär- und eine Sekundärwicklung enthaltenden Zündspule, deren Primärwicklung zusammen mit einem durch eine Steuereinheit hinsichtlich seiner Schließdauer und seines Öffnungszeitpunktes steuerbaren Schalter in einem von einer Gleichstromquelle gespeisten primären Strom­ kreis liegt und in deren Sekundärwicklung beim Öffnen des Schalters die Zündspannung für mindestens eine Zündkerze der Brennkraftmaschine erzeugt wird.

Für die Funktion einer Brennkraftmaschine ist es erforderlich, ein Brenngemisch in den Zylindern der Brenn­ kraftmaschine in in bezug auf deren Funktionszyklusab­ lauf genau definierten Zeitpunkten zu entzünden. Zu diesem Zweck wird überlicherweise ein elektrischer Zünd­ funke in einer Zündkerze mittels einer Zündanlage erzeugt, der genügend starkt sein muß, um das Brennge­ misch schnell zu entzünden.

Beim meistverbreiteten Zündanlagentyp wird die für einen Zündfunken notwendige Zündspannung mit Hilfe einer Zündspule erzeugt. Hierbei wird über einen Schalter ein Gleichstrom in der Primärwicklung der Zündspule einge­ schaltet, der dann im Zündzeitpunkt unterbrochen wird, wodurch aufgrund des zusammenbrechenden Magnetfeldes in der Sekundärwicklung der Zündspule die Zündspannung erzeugt wird. Die Höhe der Zündspannung ist dabei von der in der Zündspule gespeicherten magnetischen Energie abhängig, die ihrerseits durch die Größe des im Zünd­ zeitpunkt durch die Primärwicklung fließenden Primär­ stromes bestimmt ist. Dieser steigt nach dem Ein­ schalten exponentiell an und erreicht nach einer gewissen Zeit einen Maximalwert, der durch die Ladespannung und den ohmschen Widerstand des Primärstromkreises bestimmt ist. Da die Größe des Primärstromes in der Primärwicklung also von der Schließdauer des Schalters abhängt, wird die magnetische Energie und somit auch die Höhe der Zündspannung von der Schließdauer des Schalters bestimmt.

Bei den meisten bekannten Zündanlagen dieser Art nimmt die Schließdauer des Schalters mit zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine, also mit zunehmender Funkenwieder­ holrate ab. Um auch im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine noch eine ausreichend hohe Zünd­ spannung bereitstellen zu können, ist die Schließdauer des Schalters im unteren Drehzahlbereich der Brenn­ kraftmaschine so groß, daß die Stromflußzeit ausreicht, um die maximal mögliche magnetische Energie in der Zündspule zu speichern und damit die maximale Zünd­ spannung zu erzeugen. Dies hat zur Folge, daß die von der Zündanlage im unteren Drehzahlbereich der Brenn­ kraftmaschine bereitgestellte Zündspannung deutlich größer ist, als die in diesem Drehzahlbereich benötigte Zündspannung. Dieses Überangebot an bereitgestellter Zündenergie verursacht einen unnötig hohen Zündkerzen­ elektrodenverschleiß. Zudem wird der gesamte elektrische Zündspannungskreis unnötig hoch belastet, was zu Lasten der Isolationssicherheit geht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Zündanlage eingangs genannter Art anzugeben, durch die der Zünd­ kerzenelektrodenverschleiß und damit die Störanfällig­ keit einer Brennkraftmaschine deutlich verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuereinheit die Schließdauer des Schalters in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine derart steuert, daß die erzeugte, der Zündkerze bereit­ gestellte Zündspannung an den drehzahlabhängigen Zünd­ spannungsbedarf angepaßt ist.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß die Höhe der bereitgestellten Zündspannung von dem im Zündzeitpunkt in der Primärwicklung der Zündspule fließenden Ladestrom abhängt und daß die Größe dieses Ladestromes aufgrund seines exponentiellen Anstiegs von der Stromflußzeit und somit von der Schließdauer des im Primärstromkreis liegenden Schalters abhängt. Durch die Steuerung der Schließdauer des Schalters kann damit die Größe der bereitgestellten Zündspannung so gesteuert werden, daß der Verlauf der bereitgestellten Zündspannung bezogen auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine an den drehzahlabhängigen Verlauf des Zündspannungsbedarfs angepaßt ist. Vorzugsweise wird dabei die Schließdauer des Schalters so gesteuert, daß die Differenz zwischen der bereitgestellten Zündspannung und der benötigten Zündspannung für den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine nahezu konstant ist. Diese Differenz zwischen der bereitgestellten Zündspannung und der benötigten Zündspannung wird entsprechend dem gewünschten Sicherheitsabstand festgelegt. Als günstiger Wert für die Differenz zwischen der bereitgestellten Zünd­ spannung und der maximal benötigten Zündspannung hat sich dabei eine Spannung von etwa 4000 Volt erwiesen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird als Steuer­ einheit für die Steuerung des Schalters im Primärstrom­ kreis ein Digitalrechner mit einer Speichereinheit verwendet, in der die in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelten Werte für die Schließdauer des Schalters in Form mindestens einer Kennlinie abgespeichert sind. Durch die Verwendung eines Digitalrechners, beispielsweise eines Mikrorechners, als Steuereinheit ist eine sehr genaue Steuerung der Schließdauer des Schalters gewährleistet.

Die Verwendung eines Digitalrechners als Steuereinheit ermöglicht es ferner, daß in der Speichereinheit des Digitalrechners für verschiedene Werte weiterer Para­ meter der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Batterie­ spannung, des Saugrohrunterdrucks, der Kühlmittel- bzw. Öltemperatur oder der Drosselklappenstellung jeweils eine Kennlinie für die drehzahlabhängigen Werte der Schließdauer des Schalters abgespeichert werden kann. Es ist damit eine Steuerung der Schließdauer des Schalters sowohl in Abhängigkeit von der Drehzahl als auch in Abhängigkeit weiterer den Betriebszustand der Brennkraftmaschine kennzeichnender Parameter möglich.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung erfolgt eine Adaption der Steuereinheit an den individuellen Brennkraftmaschinen - und Zündkerzenzustand in Abhängig­ keit von einem Vergleich der jeweiligen Ist-Zünd­ funkenbrenndauer mit einer vorgegebenen Soll-Zündfunken­ brenndauer. Durch diese Adaption der Steuereinheit wird erreicht, daß die gewünschte Anpassung der bereitgestellten Zündspannung an den drehzahlabhängigen Zündspannungsbedarf unabhängig vom Verschleiß der Brennkraftmaschine und der Zündkerzen ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Zündanlage für eine Brennkraftmaschine,

Fig. 2 ein Diagramm, das den Verlauf der Primärstromstärke in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt und

Fig. 3 ein Diagramm, in dem der drehzahlabhängige Zündspannungsbedarf sowohl dem Zündspannungs­ angebot herkömmlicher Zündanlagen als auch dem Zündspannungsangebot der Zündanlage nach der Erfindung gegenübergestellt ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Zündanlage enthält eine Geberanordnung 10 mit einer vorzugsweise mit der Kurbel­ welle einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) verbundenen Zahnscheibe 12, die auf ihrem äußeren Umfang eine Vielzahl von Zähnen 14 aus ferromagnetischem Material aufweist. Diese Zähne 14 werden durch einen ersten Aufnehmer 16 abgetastet. Dieser gibt beim Passieren eines ferromagnetischen Zahns aufgrund der dadurch bedingten Induktivitätsänderung im Aufnehmer jeweils ein Impulssignal ab. Anstelle von ferromagnetischen Zähnen können auch andere, von einem anderen Aufnehmer abtastbare Marken vorgesehen sein. So könnte die Scheibe 12 beispielsweise an ihrem Umfang streifenförmig magnetisiert sein oder eine durch einen optischen Aufnehmer abtastbare Lochreihe aufweisen. Die Zahnscheibe 12 ist ferner mit einer Referenzmarke 18 versehen, die von einem zweiten Aufnehmer 20 abgetastet wird. Zur Umwand­ lung der von den beiden Aufnehmern 16 und 18 abgegebenen Impulssignalen in Rechtecksignale können in der Figur nicht dargestellte Impulsformerstufen vorgesehen sein.

Beide Aufnehmer 16 und 18 sind mit einer Steuereinheit 22 in Form eines Digitalrechners, beispielsweise eines Mikrorechners verbunden. Diese bestimmt in Abhängigkeit der Ausgangssignale der beiden Aufnehmer 16 und 18 und vorzugsweise auch in Abhängigkeit weiterer Parameter, beispielsweise des Saugrohrunterdrucks p, der Kühl­ mittel- bzw. Öltemperatur T und der Drosselklappen­ stellung α den jeweiligen Öffnungszeitpunkt (Zünd­ zeitpunkt der Zündkerze) und die jeweilige Schließdauer eines von ihr gesteuerten Schalters 24. Die Bestimmung des jeweiligen Öffnungszeitpunktes und der jeweiligen Schließdauer des Schalters 24 erfolgt anhand von Zünd­ zeitpunkt- und Zünddauer-Kennlinien, die in der Speicher­ einheit der Steuereinheit 22 abgespeichert sind.

Der steuerbare Schalter 24 ist ein Halbleiterschalter, beispielsweise ein Transistor oder ein Thyristor. Während der eine Anschluß 26 des steuerbaren Schalters 24 geerdet ist, ist sein anderer Anschluß 28 mit einem der Primärwicklung 30 und der Sekundärwicklung 32 der Zündspule 34 gemeinsamen Anschluß 36 verbunden. Der andere Anschluß 38 der Primärwicklung 30 ist mit dem positiven Pol einer Versorgungsspannungsquelle 40 verbunden. Die mit einem Anschluß mit der Primärwicklung 30 verbundene Sekundärwicklung 32 der Zündspule 34 ist mit ihrem zweiten Anschluß 42 an einen Zündverteiler 44 angeschlossen, der die von der Zündspule 34 bereitge­ stellte Zündspannung jeweils einer der vier Zündkerzen 46, 48, 50 und 52 zuführt.

Nachdem vorstehend der Aufbau der in Fig. 1 dargestellten Zündanlage erläutert wurde, soll im folgenden in Verbindung mit Fig. 2 die Funktionsweise der Zündanlage näher erläutert werden. Die Steuereinheit 22 erzeugt in Abhängigkeit von der durch den ersten Aufnehmer 16 gemessenen Drehzahl, der vom zweiten Aufnehmer 20 festgestellten Drehlage und der vorstehend genannten weiteren Parameter (Saugrohrunterdruck p, Kühlmittel- bzw. Öltemperatur T und Drosselklappenstellung α) ein Steuersignal zur Steuerung des Schalters 24, wobei die Länge des Steuersignals die Schließzeit und das Ende des Steuersignals den Öffnungszeitpunkt (Zündzeitpunkt der jeweiligen Zündkerze) des Schalters 24 bestimmt. Während der Schließzeit des Schalters 24 erfolgt die magnetische Aufladung der Zündspule 34. Die Stärke des hierbei in der Primärwicklung 30 fließenden Stromes nimmt ent­ sprechend dem in der Fig. 2 dargestellten Verlauf nach der Formel

zu, wobei U die Versorgungsspannung, R der ohmsche Widerstand des Primärstromkreises und L die Induk­ tivität des Primärstromkreises sind. Ist die Schließ­ dauer des Schalters 24 ausreichend groß, so erreicht die Stromstärke in der Primärwicklung 30 einen Maximalwert, der durch die Höhe der Versorgungsspannung U und durch den ohmschen Widerstand R des Primärstromkreises, also insbesondere der Primärwicklung 30 bestimmt ist. Ist die Schließzeit des Schalters 24 dagegen kürzer als die Anstiegszeit des durch die Primärwicklung 30 fließenden Primärstromes auf seinen Maximalwert, so ist der durch die Primärwicklung 30 fließende Primärstrom im Öffnungs­ zeitpunkt des Schalters 24 (Zündzeitpunkt) kleiner als der maximal mögliche Primärstrom. Dies zeigt also, daß die Stärke des im Zündzeitpunkt in der Primärwicklung 30 fließenden Stromes durch eine entsprechende Steuerung der Schließzeit des Schalters 24 gesteuert werden kann. Da ferner die in der Sekundärwicklung 32 erzeugte Zündspannung von der Stärke des im Zündzeitpunkt in der Primärwicklung fließenden Stromes abhängt, kann die Höhe der Zündspannung durch eine entsprechende Steuerung der Schließzeit des Schalters 24 gesteuert werden. Bei der Erfindung wird diese Erkenntnis dahingehend genutzt, daß die Schließdauer des Schalters 24 derart gesteuert wird, daß die Differenz zwischen der bereitgestellten Zünd­ spannung und der maximal benötigten Zündspannung für den gesamten nutzbaren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine nahezu konstant ist.

Dieser Zusammenhang zwischen der bereitgestellten Zündspannung und der von der Brennkraftmaschine maximal benötigten Zündspannung ist in Fig. 3 dargestellt. Dort ist in Form einer gestrichelten Linie 54 der maximal benötigte Zündspannungsbedarf in Abhängigkeit von der Drehzahl aufgetragen. Diesem ist einerseits der auf die Drehzahl bezogene Verlauf der von herkömmlichen Zündan­ lagen bereitgestellten Zündspannung (Strich-Punkt- Strich-Linie 56) und andererseits der auf die Drehzahl bezogene Verlauf der von der erfindungsgemäßen Zündan­ lage bereitgestellten Zündspannung (durchgezogene Linie 58) gegenübergestellt. Diese Gegenüberstellung zeigt, daß die von herkömmlichen Zündanlagen bereitgestellte Zündspannung die maximal benötigte Zündspannung in dem häufig genutzten Drehzahlbereich von etwa 1800 bis 4000 Umdrehungen um ca. 8000 bis 10 000 Volt über­ steigt. Bei der erfindungsgemäßen Zündanlage beträgt diese Differenz nur etwa 4000 Volt, die als Sicher­ heitsabstand erwünscht ist. Da bei der erfindungsgemäßen Zündanlage in einem häufig genutzten Drehzahlbereich die bereitgestellte Zündspannung deutlich besser an die maximal benötigte Zündspannung angepaßt ist als bei den herkömmlichen Zündanlagen, zeichnet sich die erfin­ dungsgemäße Zündanlage durch einen gegenüber herkömmlichen Zündanlagen deutlich kleineren Zündkerzenelektroden­ verschleiß aus. Darüber hinaus wird auch der gesamte Sekundärkreis der Zündanlage weniger belastet, wodurch die Isolationssicherheit und damit auch die Funktionssicherheit der gesamten Zündanlage verbessert wird.

Claims (6)

1. Zündanlage für eine Brennkraftmaschine, mit einer die Zündenergie speichernden, eine Primär- und eine Sekundärwicklung enthaltenden Zündspule, deren Primärwicklung zusammen mit einem durch eine Steuereinheit hinsichtlich seiner Schließdauer und seines Öffnungszeitpunktes steuerbaren Schalter in einem von einer Gleichstromquelle gespeisten primären Stromkreis liegt und in deren Sekundär­ wicklung beim Öffnen des Schalters die Zündspannung für mindestens eine Zündkerze der Brennkraftmaschine erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (22) die Schließdauer des Schalters (24) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine derart steuert, daß die erzeugte, der Zündkerze (46, 48, 50, 52) bereitgestellte Zündspannung an den drehzahlabhängigen Zündspan­ nungsbedarf angepaßt ist.

2. Zündanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (22) die Schließdauer des Schalters (24) derart steuert, daß die Differenz zwischen der bereitgestellten Zündspannung und der benötigten Zündspannung für den gesamten Drehzahl­ bereich der Brennkraftmaschine nahezu konstant ist.

3. Zündanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen der bereitgestellten Zündspannung und der maximal benötigten Zündspannung etwa 4 000 Volt beträgt.

4. Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (22) ein Digitalrechner mit einer Speichereinheit ist, in der die in Abhängig­ keit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelten Werte für die Schließdauer des Schalters (24) in Form mindestens einer Kennlinie abgespeichert sind.

5. Zündanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speichereinheit des Digitalrechners (22) für verschiedene Werte weiterer Parameter der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Batterie­ spannung, des Saugrohrunterdrucks (p), der Kühl­ mittel- bzw. Öltemperatur (T) oder der Drosselklappen­ stellung (α) jeweils eine Kennlinie für die drehzalabhängigen Werte der Schließdauer des Schalters (24) abgespeichert ist.

6. Zündanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Adaption der Steuereinheit (22) an den individuellen Brennkraftmaschinen - und Zünd­ kerzenzustand in Abhängigkeit von einem Vergleich der jeweiligen Ist-Zündfunkenbrenndauer mit einer vorgegebenen Soll-Zündfunkenbrenndauer erfolgt.